移动通信基站天线基础知识.ppt

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1、技术交流移动基站天线有关概念及选型原则B B l la ah h blahbl ahblah一一. .无线通信组网中天线的作用无线通信组网中天线的作用把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间.收集无线电波并产生电信号收集无线电波并产生电信号 什么是天线什么是天线? ? 将传输线中的高频电磁能将传输线中的高频电磁能 转成为转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。因此，要了解天线的特性就电磁能。因此，要了解天线的特性就必然需要了解自由空间中的电磁

2、波及必然需要了解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。高频传输线的一些相关的知识。天线的作用天线的作用 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关辐射的能力与导线的长短和形状有关. .如由于两导线的距离很如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强

3、。当导线的长度势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度 L L远小于波长时，导线的电流很远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱小，辐射很微弱. . 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。辐射的直导线称为振子。 二二.天线辐射电磁波的基本原理天线辐射电磁波的基本原理 天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络 同轴线变化为天线同轴线变化为天线 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一两臂长度相等

4、的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。起来的，称为折合振子。1/2波长波长一个一个1/2波长的对称振子波长的对称振子 在在800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长振子振子波长波长 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率

5、时它所输送的功率都将输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。减小，据此可定义天线的频率带宽。 有几种不同的定义：有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比就是当天线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。 半波振子上的场分布半波振子上的场分布在在 820 MHz 1/2 波长

6、波长 为为 180mm, 在在890 MHz 为为 170mm 175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz 在天线工作频带内在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波 . . 无线电波无线电波 什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，什么叫无线电波？

7、无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。这两者又都垂直于传播方向。无线电波无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为：公里秒表示。在媒质中的传播速度为：/，式中，式中为传播媒质的相对介电常数。空气的相对为传播媒质的相对介电常数

8、。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。 因此，无线电波在空因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光，通常我们就认为它等于光速。速。电磁波的传播电磁波的传播电场电场电场电场电场电场振子振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场 可用式可用式 / / 表示。表示。 式中，为速度，单位为米式中，为速度，单位为米/ /秒；秒； 为频率，单位为赫兹；为频率，单位为赫兹；为波长，单位为米。为波长，单位为米。 由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒由上述关系式不难看出，同一频率的无线电

9、波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数电常数约为约为2.12.1，因此，因此，/1.44 /1.44 ，/1.44 /1.44 。波长波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系无线电波的波长、频率和传播速度的关系 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波

10、的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波化波。. . 无线电波的极化无线电波的极化垂直极化垂直极化水平极化水平极化+ 45度倾斜的极化度倾斜的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向- 45度倾斜的极化度倾斜的极化五五. .天天线的极化线的极化3.圆极化波圆极化波 如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫

11、作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；波要用具有水平极化特性的天线来接收； 右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋

12、圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；即只能接收到来波的一半能量； 两个天线为一个整体两个天线为一个整体V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45) 传输两

13、个独立的波传输两个独立的波1. 双极化天线双极化天线 2.极化损失极化损失 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂

14、直或左旋圆极化）完全正与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。来波与接收天线极化是隔离的。 隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例 1000mW (即即1W)1mW在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW) = 30dB3.( (极化极化) )隔离隔离 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方

15、向传来的电波所具有的接收能力。天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示. . 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。具有的发射或接收电磁波的能力。 顶视顶视侧视侧视 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把求把“面包圈面包圈” 压成扁平的压成扁平的 一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈” 形的方向图形的方向图在这儿增益在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一

16、个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号 在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里, “扇形覆盖天线扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视)天线天线2.形成定向辐射的原理形成定向辐射的原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。自振子前后的